人工智能在創(chuàng)客教育教學(xué)中的應(yīng)用
——以“零錢機(jī)器人”作品為例

江蘇蘇州市敬文實(shí)驗(yàn)小學(xué)校（215000） 毛新悅

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》要求：“要實(shí)施全面智能教育項(xiàng)目，在小學(xué)階段開設(shè)人工智能與相應(yīng)課程，推廣編程教育、創(chuàng)新創(chuàng)造教育。”基于此種背景，創(chuàng)客教育落地生根，逐漸滲透于小學(xué)各個年級段課程體系中，通過軟、硬、智、造四大媒介構(gòu)成創(chuàng)客課程。開源機(jī)器人是創(chuàng)客課程中的主要內(nèi)容之一，機(jī)器人制作活動靈活，能夠融入人工智能技術(shù)，為學(xué)生的機(jī)器人制作提供更多技術(shù)素材，啟蒙學(xué)生的人工智能意識，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)客操作能力，為學(xué)生今后的成長與發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一、設(shè)置課前任務(wù)，激發(fā)學(xué)生探索興趣

創(chuàng)客課程中應(yīng)用人工智能，涉及較多的學(xué)科內(nèi)容，且制作過程較為復(fù)雜，需要耗費(fèi)大量的時間，若在課堂上展開教學(xué)全過程，則會影響學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)作活動，壓縮學(xué)生的動手操作時間。教師根據(jù)開源機(jī)器人“零錢機(jī)器人”課程內(nèi)容，提出“課前+課上+課后+課終”的課程結(jié)構(gòu)，引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，提出明確具體的課前任務(wù)，讓學(xué)生借助互聯(lián)網(wǎng)平臺、微課視頻獲取關(guān)于人工智能、機(jī)器人制作方面的資料，以豐富資源激發(fā)學(xué)生興趣，為課上機(jī)器人的創(chuàng)作與實(shí)操做好準(zhǔn)備。

【課前環(huán)節(jié)】

教師根據(jù)學(xué)校的創(chuàng)客機(jī)器人學(xué)習(xí)條件——具備多媒體教室、有現(xiàn)成的創(chuàng)客機(jī)器人微課視頻資源、機(jī)器人制作工具豐富，搭建翻轉(zhuǎn)課堂模式，讓學(xué)生在課前通過線上平臺觀看微課視頻——“創(chuàng)客零錢機(jī)器人”，并布置課前學(xué)習(xí)任務(wù)：（1）了解人工智能存錢罐結(jié)構(gòu)；（2）理解機(jī)器人的語音識別系統(tǒng)工作原理；（3）掌握機(jī)器人中傳感器的設(shè)置及其工作原理；（4）了解更多的人工智能機(jī)器人成果。通過布置課前學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生的課前自主學(xué)習(xí)就有了明確的目標(biāo)任務(wù)，為達(dá)成教學(xué)目標(biāo)做好了充分的準(zhǔn)備。

微課視頻生動有趣地講解了“零錢機(jī)器人”的功能、作用與創(chuàng)意思想，為學(xué)生演示了智能存錢罐機(jī)器人操作的全過程，激發(fā)了學(xué)生的好奇心與學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生紛紛記錄視頻中機(jī)器人創(chuàng)作的重點(diǎn)步驟，得到結(jié)論為：（1）創(chuàng)作機(jī)器人，需要設(shè)計(jì)機(jī)器人的功能，每項(xiàng)功能都要有相應(yīng)的軟硬件支撐，不能盲目加功能，以防現(xiàn)有條件難以實(shí)現(xiàn)；（2）需要根據(jù)不同功能選擇合適的傳感器，編輯不同的人機(jī)對話系統(tǒng)，需要對可視化編程語言進(jìn)行初步學(xué)習(xí)了解；（3）機(jī)器人制作完成后，需要進(jìn)行多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)操作，以驗(yàn)證機(jī)器人的功能和運(yùn)行功能，對不完善的地方進(jìn)行改進(jìn)和提高。至此，學(xué)生初步形成設(shè)計(jì)思路，剩下的只待學(xué)生在課堂活動中實(shí)踐與操作。

教師設(shè)置課前任務(wù)，學(xué)生根據(jù)教師提供的微課視頻展開課前線上的自主學(xué)習(xí)，在觀看視頻的過程中大致了解了開源機(jī)器人制作的過程與思路，同時對“零錢機(jī)器人”產(chǎn)生一定的設(shè)想與設(shè)計(jì)想法，對不懂不清楚的地方，能夠自行上網(wǎng)進(jìn)行資料查詢和問題解決，積累了一定的相關(guān)知識和經(jīng)驗(yàn)，有的甚至動手進(jìn)行了某個功能的試驗(yàn)性搭建，這些準(zhǔn)備工作都為之后的課堂創(chuàng)客實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。在本階段中，學(xué)生能夠在課前就了解人工智能的有關(guān)元器件：傳感器，初步形成人工智能認(rèn)知，能夠更好地投入到創(chuàng)客活動的自主創(chuàng)作中。

二、課上提出假設(shè)，支持學(xué)生設(shè)計(jì)方案

課堂環(huán)節(jié)主要是尊重學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，讓學(xué)生根據(jù)課前學(xué)習(xí)成果，結(jié)合自己對人工智能、智能機(jī)器人及其原理的認(rèn)知，展開分析、設(shè)計(jì)、實(shí)踐操作的過程。教師根據(jù)班級學(xué)生的課前學(xué)習(xí)情況，考慮到創(chuàng)客課程探索性、實(shí)踐性的特征，提出“以小組為單位完成項(xiàng)目任務(wù)”的課上活動形式，明確這一環(huán)節(jié)的活動需求，提醒各小組分好工，各司其職、各盡其能，共同合作完成任務(wù)。至此，教師將課堂空間讓給學(xué)生，自己扮演引導(dǎo)者、激勵者的角色，使學(xué)生在課堂中能夠發(fā)揮主觀能動性，通過交流、互助，在教師的指導(dǎo)下自主操作完成項(xiàng)目。

【課上環(huán)節(jié)】

開源機(jī)器人“零錢機(jī)器人”是本校創(chuàng)客課程教材的主要內(nèi)容，目的是提高學(xué)生在制作AI 人工智能實(shí)用器具方面的動腦和動手綜合能力。學(xué)生需要在完成課前學(xué)習(xí)之后，經(jīng)歷課堂互動設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和分組制作作品這兩個環(huán)節(jié)。教師可以設(shè)計(jì)以下的教學(xué)活動：提出機(jī)器人假設(shè)—小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

教師為學(xué)生準(zhǔn)備充足的器材與設(shè)備，包括3D打印機(jī)、美工刀、鉗子、螺絲刀、手鋸、兒童電鉆、松木板、瓦楞紙、打印材料、掌控板、ARDUINO、核心板拓展板、RGB 燈帶、超聲波傳感器、減速電機(jī)、舵機(jī)、輪子、電腦等，并提出要求：“請大家根據(jù)課前的微課學(xué)習(xí)結(jié)果，以小組為單位，提出你的‘零錢機(jī)器人’設(shè)想。”這一要求的目的是鼓勵學(xué)生拓展思路，設(shè)想“零錢機(jī)器人”的功能，為之后形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案儲備材料。學(xué)生紛紛思考與交流，根據(jù)自己對存錢罐的認(rèn)知及微課視頻中的作品展示，提出設(shè)想。

教師提出創(chuàng)客活動要求：“請大家根據(jù)自己的設(shè)想，以小組為單位，交流設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完善你的存錢罐功能，思考人工智能技術(shù)將要如何滿足你的存錢罐功能。”之后，學(xué)生紛紛投入到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中。

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，一些學(xué)生小組難免遇到問題，如不確定設(shè)計(jì)功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)、軟件編輯受技術(shù)水平難以達(dá)到理想狀態(tài)等，此時教師要給予學(xué)生最大的發(fā)揮空間，不要肆意干擾學(xué)生，而是在學(xué)生“求援”的時候適當(dāng)給予提點(diǎn)、引導(dǎo)，讓學(xué)生自主完成設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，突破自我局限，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。

三、加強(qiáng)理論培訓(xùn)，形成AI智能思維體系

基于AI 人工智能的創(chuàng)客團(tuán)隊(duì)，不僅需要擁有將AI 人工智能融入生活、解決實(shí)際問題的能力，還需要完成能夠融合AI 人工智能的創(chuàng)客作品。對學(xué)生而言，在教學(xué)的課后加強(qiáng)理論培訓(xùn)是在完成創(chuàng)客作品后的一項(xiàng)重要任務(wù)，其不僅是對創(chuàng)客理論下AI 人工智能理論的總結(jié)，還是幫助形成AI 人工智能思維體系的必經(jīng)之路。因此，鼓勵創(chuàng)客團(tuán)隊(duì)成員集思廣益，充分發(fā)揮自己的聰明才智，將創(chuàng)客作品中所學(xué)習(xí)到的理論知識形成一定的體系，指導(dǎo)實(shí)踐，提升技術(shù)，是創(chuàng)客教學(xué)課堂學(xué)習(xí)人工智能的一個重要環(huán)節(jié)。

【課后環(huán)節(jié)】

在學(xué)生形成設(shè)計(jì)方案后、最終動手制作之前，教師需要進(jìn)行必要的理論輔導(dǎo)，讓創(chuàng)客團(tuán)隊(duì)“既知其然，更知其所以然”，達(dá)到腦、手一體的目標(biāo)。就“零錢機(jī)器人”這個項(xiàng)目而言，可以將STEAM 教育理念滲透其中，從以下幾個方面由淺入深、從易到難地進(jìn)行講解。

一是知識層面，講解學(xué)生比較感興趣的3D 打印技術(shù)和應(yīng)用、ARDUINO 開源平臺的基本原理和發(fā)展趨勢、Scratch 圖形化編程的來源和演進(jìn)等。形式上可以采取微課分板塊進(jìn)行，圖文并茂、視頻展現(xiàn)，比單純的板書講述效果更好一些。對小學(xué)生而言，這部分內(nèi)容主要是激發(fā)興趣，讓他們對即將用到的軟硬件產(chǎn)品有個直觀的認(rèn)知，增強(qiáng)探索和動手的欲望。此外，還要對應(yīng)用過程中可能遇到的問題進(jìn)行預(yù)先分析，讓學(xué)生對淺顯的AI 人工智能設(shè)備有初步的認(rèn)識，并對于實(shí)踐中遇到的困難也能樹立攻堅(jiān)克難的決心。

二是理論層面，稍微加深一點(diǎn)，概略性講解“零錢機(jī)器人”的功能設(shè)計(jì)原理、造型搭建方法、語音識別要素、LED 發(fā)光原因、程序邏輯運(yùn)算方式，及AI深度學(xué)習(xí)、機(jī)器自行學(xué)習(xí)、采用合適算法、各種高級編程語言（如Python Flask、C++、JavaScript）等，讓學(xué)生不僅能夠從外觀上了解AI 人工智能的構(gòu)成，更加理解AI 的內(nèi)涵，明白制造一個智能機(jī)器人決不像表面看到的那樣簡單，而是涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的融合與合作，這就是創(chuàng)客需要團(tuán)隊(duì)的原因。通過這樣的輔導(dǎo)，讓學(xué)生明白機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)需要厚實(shí)的理論儲備，激發(fā)他們努力學(xué)習(xí)、向知識高峰沖擊的決心，也為做好項(xiàng)目打下硬實(shí)的心理支撐。

三是應(yīng)用層面，要講究深入淺出，在知識和理論鋪墊的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講述如何將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合起來，充分發(fā)揮學(xué)生自主創(chuàng)造力。為了確保項(xiàng)目能夠順利進(jìn)行，教師要進(jìn)行手把手的培訓(xùn)輔導(dǎo)，讓學(xué)生邊聽講邊動手；同時，應(yīng)當(dāng)采用合適的硬件強(qiáng)度以降低設(shè)計(jì)的技術(shù)門檻，重在學(xué)生的創(chuàng)新而非技術(shù)性環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。這樣能讓學(xué)生在創(chuàng)造中體會到更多的樂趣，從其中感受到成功的喜悅。

通過這樣簡明扼要的課后培訓(xùn)，學(xué)生既能從理論層面初步弄清AI 人工智能的來龍去脈和底層邏輯，又能非常直觀地體會即將落地的機(jī)器人項(xiàng)目，從知識掌握到動手制作，形成了比較系統(tǒng)的AI 智能思維體系，其影響力不僅是做好一個“零錢機(jī)器人”，更是學(xué)會了一套有益的思想方法，提升了小學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

四、課終展開操作，展示學(xué)生制作成果

課終操作指的是在課堂教學(xué)的后半階段，即成品制作和展示階段，讓學(xué)生根據(jù)已經(jīng)完成的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，采用實(shí)驗(yàn)室中的材料，以小組為單位進(jìn)行操作，在機(jī)器人制作完成之后展示制作成果，旨在實(shí)現(xiàn)對學(xué)生人工智能技術(shù)認(rèn)知的培養(yǎng)，鍛煉提高學(xué)生的動手操作能力。

【課終環(huán)節(jié)】

教師提出要求：“根據(jù)你們設(shè)計(jì)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)方案，選擇自己需要的實(shí)驗(yàn)器材與傳感器設(shè)備，開始制作機(jī)器人吧。”學(xué)生小組展開制作，學(xué)生根據(jù)上一環(huán)節(jié)展示的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，選擇實(shí)驗(yàn)器材，具體操作過程如下。

1.學(xué)生1解讀開源機(jī)器人說明書，提出“要安裝編碼器、連接片與雙孔梁，制作底盤支架與存錢罐主體”。

2.學(xué)生2表示要根據(jù)自己對機(jī)器人的設(shè)想（見圖1），設(shè)定多啦A夢這一卡通形象，使用3D打印機(jī)打印“外包裝”。

圖1 瓦力零錢機(jī)器人概念設(shè)計(jì)圖

3.學(xué)生小組共同操作，負(fù)責(zé)連接各個結(jié)構(gòu)，安裝底盤與主體，在零錢機(jī)器人的頂面開口，在存錢罐內(nèi)部設(shè)置觸感裝置，每次投入一枚硬幣，皆可以感知到，自動累計(jì)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)計(jì)算額度的功能。

4.在存錢罐中安裝小時鐘，使用掌控板、ARDUINO、核心板拓展板等技術(shù)編輯程序，設(shè)定72 小時一提醒，提醒學(xué)生每隔3 天存一次錢。其中，注意提醒的時間須是自己能感知到，且不受打擾的時間。

5.為“瓦力”穿衣服，利用遙控控制板操控機(jī)器人。

完成機(jī)器人安裝之后，學(xué)生小組紛紛展開“試運(yùn)行”的環(huán)節(jié)。一名學(xué)生利用遙控板操作，讓“瓦力”在教室中移動，每個小組“收集硬幣”；這名學(xué)生為“瓦力”設(shè)定的硬幣獲取周期是30s，因此每過30s，“瓦力”就會發(fā)出“滴滴”的聲音，提醒大家“該存錢了”；可以看出，在“搜集硬幣”的過程中，“瓦力”身體上的顯示板出現(xiàn)數(shù)字變化，每次投入一枚硬幣，都會顯示“+1”的數(shù)字，且顯示累計(jì)硬幣數(shù)量。在學(xué)生展示“零錢機(jī)器人”之后，教師提出拓展引導(dǎo)：“大家的想法都通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了，那你們能夠讓‘零錢機(jī)器人’儲蓄更多不同形式的錢嗎？可以讓機(jī)器人識別紙幣面額嗎？非錢幣能被識別出來嗎……”通過一系列問題引起學(xué)生的思考與探究，進(jìn)一步深化學(xué)生的創(chuàng)客思維，強(qiáng)化本節(jié)課活動成果。

在本次活動中，學(xué)生通過課前學(xué)習(xí)、課堂交流與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、機(jī)器人制作操作等環(huán)節(jié)，自主選擇了自己想要實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人功能，且通過動手操作一一實(shí)現(xiàn)這些功能，進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生動手操作的能力，讓學(xué)生對人工智能的應(yīng)用形成深刻印象。

綜上所述，創(chuàng)客教育是小學(xué)教育中的重要內(nèi)容，隨著創(chuàng)客教育的逐漸普及，各小學(xué)校開設(shè)了智能機(jī)器人教學(xué)活動，引入人工智能，目的在于拓展有關(guān)學(xué)科知識和學(xué)生的知識面。在本次開源機(jī)器人“零錢機(jī)器人”創(chuàng)作教學(xué)活動研究中，學(xué)生根據(jù)教師設(shè)置的創(chuàng)客活動流程，分別在課前、課上、課尾和課終參與不同環(huán)節(jié)，創(chuàng)作了屬于自己的“零錢機(jī)器人”。該活動實(shí)現(xiàn)了“在玩中做，在做中學(xué)，在學(xué)中創(chuàng)”的教育目標(biāo)，提升了學(xué)生對人工智能、現(xiàn)代化技術(shù)的認(rèn)知水平。